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汽车生产中的镁合金焊接技术 |
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作者：安徽江淮汽车股份有限公司 于海江 魏庆丰 姜海涛 |
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将镁合金应用于汽车制造中，可满足汽车行业低排量、低油耗的发展需求。要想进一步推广镁合金在汽车领域的大量使用，需要对焊接技术进行更深一步的创新研究。
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽和抗辐射性能好以及易回收等一系列优点，被广泛应用于结构件中。近年来，出于对节能、环保的考虑，低排量、低油耗及低污染的绿色轻型汽车逐渐被各个国家录入相应的法律法规。北美汽车协会更是制定了量化的目标：用更轻的镁合金代替目前在汽车上使用的钢及铝合金；到2020年，镁合金在汽车中的使用将由5 kg增加到160 kg。上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司及江淮汽车集团等国内大的汽车公司均已开始将镁合金应用于汽车零部件的浇铸生产。要实现镁合金在汽车工业中亚结构级的应用，焊接是实现这一目标的关键技术。
镁及镁合金的焊接性分析
镁合金的性能与其他材料相比具有显著特点，焊接性较为特殊。由于镁合金密度低、熔点低、热导率和电导率大、热膨胀系数大、化学活泼性很强、易氧化且氧化物的熔点很高，因此，镁合金在焊接过程中会产生一系列困难，主要表现在：
1. 氧化和蒸发
由于镁的氧化性极强，在焊接过程中易形成氧化膜（MgO），MgO熔点高（2 500℃）、密度大（3.2 g/cm3），易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温下，镁还容易和空气中的氮发生化学反应生成镁的氮化物，弱化接头的性能。镁的沸点不高，这将导致在电弧高温下很容易蒸发。
2. 晶粒粗大
由于热导率大，故焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接，易造成焊缝和近焊缝区金属过热和晶粒长大。
3. 热应力
镁合金热膨胀系数较大，约为铝的1～2倍，在焊接过程中易产生大的焊接变形，引起较大的残余应力。
4. 焊缝金属下塌
由于镁的表面张力比铝小，焊接时很容易产生焊缝金属下塌，影响焊缝成形质量。
5. 气孔
与焊接铝合金相似，镁合金焊接时易产生氢气孔。氢在镁中的溶解度随温度的降低而减小，而且镁的密度比铝小，气体不易逸出，在焊缝凝固过程中会形成气孔。
6. 热裂纹
镁合金易与其他金属形成低熔点共晶组织，在焊接接头中易形成结晶裂纹。当接头处温度过高时，接头组织中的低熔点化合物在晶界处会熔化出现空穴，或产生晶界氧化等，即所谓的“过烧”现象。
此外，镁及镁合金易燃烧，所以在熔化焊接时需要惰性气体或焊剂的保护。
镁合金的焊接现状及发展趋势
镁合金适用于很多焊接方法，如钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊、爆炸焊和电阻点焊。无论哪种焊接方法，镁合金焊接后的微观组织大多同时包含树枝晶和等轴晶。一种普遍接受的观点认为等轴晶的性能优于柱状晶或树枝晶，所以金属凝固组织中希望得到小尺寸的等轴晶，同时尽可能减小柱状晶/树枝晶的百分比。
1. 钨极氩弧焊（TIG）
钨极氩弧焊（TIG）是目前镁合金最常用的一种焊接方法。由于镁合金容易氧化，TIG电弧焊接镁合金通常利用交流电的阴极清理效应去除氧化膜，直流TIG焊接镁合金较少使用。然而与直流相比，交流TIG焊接的热输入较低，加之镁合金导热很快，焊缝熔深浅，使交流TIG焊接镁合金厚板存在一定问题。因此，焊接镁合金中厚板时需要采用多层多道焊或者双面施焊，增加了施焊难度，而且降低了生产效率。为了解决这一问题，近年来更多的研究集中在活性TIG焊接（A-TIG）镁合金。有研究结果表明，活性剂的加入显著增加了熔深。氯化物诸如LiCl、CaCl2、CdCl2和CeCl3被认为是A-TIG焊接镁合金潜在的活性剂。在这些氯化物中，CdCl2的效果最好，熔深比普通TIG焊接增加接近1倍。
镁合金氩弧焊存在的主要缺陷是气孔和疏松。在焊接过程中通过增加保护气体的流量可以显著减小气孔的数量、体积，并能减小焊缝中镁含量的损失，从而提高接头的力学性能。另外，对于气孔的防治，还可以通过焊接时尽量压低电弧（2mm左右），以充分发挥电弧的阴极破碎作用并使熔池受到搅拌，从而使气体逸出熔池。
2. 激光焊
激光焊接镁合金是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工方法，其研究主要集中在激光器的选择（如CO2、diode、Nd：YAG及fiber激光器），激光功率、聚焦位置、焊接速度、熔深、保护气体种类和填充材料等方面。
采用Nd：YAG激光器和CO2激光器对6种铸造镁合金和4种挤压镁合金进行激光焊接性研究，结果发现对相同成份和不同成份的镁合金，厚度从2～8 mm，均可利用激光焊接，并可得到很窄的焊缝和很大的熔深。激光焊接镁合金的缺陷主要为气孔、热影响区热裂纹及凝固裂纹。另外，镁合金对激光的反射率较大也是镁合金激光焊中需要注意的问题，这使激光焊接镁合金熔深较浅。相比而言，电子束焊接得到的熔深最大，且远超过激光焊接。
3. 电子束焊
电子束可以焊透30mm的镁合金板，熔化区的组织几乎都是10?mm左右的等轴晶。电子束焊接可以避免很多焊接缺陷，如孔洞、咬边、根部凹陷及较宽的热影响区等。经过工艺优化，如调整聚焦位置到根部，优化焊接参数等，焊缝的极限抗拉强度可以达到母材83%（有表面应力集中）和96%（无应力集中）。
电子束焊接通常为真空焊接，金属气体的挥发对真空室的污染很大。研究发现非真空电子束非常适用于镁合金的焊接。AZ31变形镁合金和AM50A以及AZ91D铸造镁合金在适当的焊接工艺下均可得到良好的接头。相对较高的能量密度可以允许焊接速度达到15 m/min，这样热输入较小，焊接效率高。通过填丝可以得到无疏松、缩孔和气孔等缺陷的焊缝，接头的静载荷可以与母材相当，接头的抗腐蚀性能甚至好于母材。高速、高效且可以实现高自动化的非真空电子束焊接为镁合金的大面积应用提供了新的途径。
4. 电阻点焊
电阻点焊因其成本极低、工艺稳定成为汽车工业中最主要的焊接方法。镁合金导热率高、电阻值小，电阻点焊镁合金时需要在短时间内通很高的电流，使产热速率远大于散热速率。这个性能与铝合金性能相似，因此能够焊接铝合金的点焊设备也能够焊接镁合金。电焊机的成本与变压器次级线圈电流负荷成正比。相同板厚下，电阻点焊钢所需的电流远小于镁合金，因此镁合金的焊接设备昂贵。焊接电流、焊接时间及电极压力是电阻点焊镁合金最重要的三个参数。这三个参数能够有效控制熔核大小和接头强度。铝合金热导率和电导率都很高，所需焊接电流是钢的2～3倍。
镁合金的熔核生长分为3个阶段：孕育、长大和稳定。在第一个周波内熔核便完成孕育，接着开始长大。随着熔核长大，导电通道增加，电流密度降低；电极-板材接触面积增大，散热增加。这两点导致长大速率逐渐变缓。当产热和散热达到平衡，熔核趋于稳定。数值模拟比较的钢、铝和镁的动态电阻和熔核生长如图所示。铝合金与镁相似，孕育时间很短，几乎在第一个周波就出现熔化；钢直到第5个周波才开始熔化，模拟结构说明，贴合面的接触电阻是造成这种差别的主要原因。温度沿径向分布的差异也是原因之一，其中钢较铝、镁平坦，因而铝、镁产热更为集中，有利于熔核的形成。
熔核尺寸与焊接时间的关系
镁合金与铝合金的动态电阻变化类似，可分为3个阶段：由于氧化膜的破裂动态电阻急剧下降；熔核增大，电流通道增加，电阻持续下降，但由于温度的增加时电阻率增加，下降速率减缓；飞溅产生，导致动态电阻急剧下降。钢的动态电阻与镁有很大不同，主要因为温度升高，电阻率增加会导致动态电阻增加。
镁合金点焊接头通常分为４个区域：母材、热影响区、塑性环和熔核。热影响区有再结晶和晶粒长大发生。和铝合金类似，镁合金焊接热影响区也容易产生野花裂纹。塑性环在热影响区的贴合面处，是电阻点焊的特有区域。由于该区域的高温高压（电极压力），塑性环处经常发生动态再结晶。通常熔核有两种组织：柱状树枝晶和等轴晶。
镁合金在汽车工业中的应用前景
镁合金在汽车工业中应用的年增长率达到20%，北美、欧洲、日本和韩国，1991年镁的使用量仅为2.4万t，到1997年则增至6.4万t，而在2000年仅福特汽车一家公司镁合金的使用量就达到2.2万t，2006年北美、欧洲、日本等地的汽车工业对镁合金的需求量达到每年20万t。这些国家和地区由汽车工业拉动的镁合金的需求量还将继续增长。目前，国外在汽车上大规模应用镁合金生产的零部件已超过60种，包括：内部零件，如方向盘、座椅架、变速器、气囊固定架和各种仪表盘框架等；各种箱体，如油箱、离合器外壳、齿轮箱、气缸前盖和各种通风管道等；车体零件，如刹车踏板架、发动机焊件、车体后支架以及轮毂等。预计，气缸体、发动机罩、车顶板、门框和轮毂等焊件，也将用镁合金大批量生产。
镁合金在汽车上的大量使用，使得镁合金的连接技术成为解决镁合金应用的迫切问题，各种焊接方法的研究都会得到广大研究者的进一步关注。从目前来看，镁合金焊接的研究重点主要有以下几个方面：
1. 镁合金焊接接头组织控制
镁合金焊接后的微观组织大多同时包含树枝晶和等轴晶。一种普遍接受的观点认为等轴晶的性能优于柱状晶/树枝晶，所以金属凝固组织中希望得到小尺寸的等轴晶，同时尽可能减小柱状晶/树枝晶的百分比。在镁合金的焊接过程中，如何控制柱状晶/树枝晶的生长，或实现柱状晶/树枝晶向等轴晶的转变需要进一步研究。
2. 镁合金与其他金属的连接技术
在汽车制造方面，会遇到镁合金与钢、镁合金与铝合金的熔化焊接问题。急需开发镁合金异种材料的熔化焊接和钎焊技术。异种金属连接的界面设计以及金属间化合物形成的理论需要进一步的深入研究。
3. 发展复合焊接新技术
根据镁合金自身的特性，开展镁合金的复合焊接新技术是获得高质量接头的重要途径。
4. 接头质量及寿命评价
由于镁合金的防腐、阻燃等问题还未完全解决，接头的抗蠕变及使用寿命等问题也有待研究，需要建立一套质量评价标准，并利用模拟技术对接头性能、使用寿命等进行预测。(end)
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(4/26/2013) |
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